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搭建非晶态材料微观结构与宏观性能间的桥梁——记清华大学材料学院副教授邵洋

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发表于 2019-6-7 14:33:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文经科学中国人授权发布
钻研一门科学,参透一种人生,或多或少都是在微观与宏观中交替进行的,科研工作者对于材料的研究亦是如此。金属材料,是一种与热能、汽车、机械、航空航天等多个领域息息相关的基础材料,可以说是制造行业里不可或缺的一块“敲门砖”。早在20世纪初,研究人员就试图通过分析材料的微观结构来认识并调控其宏观性能,一旦材料的微观结构以及调控方法掌握清楚,就可以从材料的微观结构入手对其宏观性能进行改进和提升,使其更好地应用于制造业。
目前,这条架构通向材料微观与宏观世界之间的桥梁正日臻完善,但已经建好的部分却只是针对晶态材料而言。清华大学材料学院副教授邵洋提到,与晶态材料不同,就非晶态材料而言,虽然人们已经发现其具有诸多优异性能,但始终没有找到从微观结构调控其宏观性能的理论方法和可靠途径。近几十年来,科研工作者做了无数努力,希望打破这个科学魔咒,邵洋也是其中一员,他希望用自己的力量将缺失的非晶态材料中微观结构与宏观性能之间的桥梁搭建起来。
▌走进材料世界
邵洋与非晶态材料的结缘,经历了一番曲折。在清华大学材料科学与工程系完成本科学习后,邵洋继续在清华大学材料科学与工程系进行硕士阶段的学习,期间他跟随章晓中教授主攻计算机模拟。硕士毕业后邵洋决定走出国门,来到加拿大麦克马斯特大学攻读博士,在博士研究生阶段以及后来在加拿大国家电子显微镜实验室从事博士后研究期间,邵洋将研究重点集中在对材料微观结构的详细表征和分析上,所研究的材料也都是基于晶态的材料。2010年,从加拿大学成归国的邵洋,在清华大学材料科学与工程系张文征教授的引荐下,由机械系姚可夫教授引进到清华大学机械系工作。2013年,在清华大学院系调整过程中,随姚可夫教授课题组一起从清华大学机械系进入新成立的清华大学材料学院工作。
回国后,根据课题组的研究方向和工作安排,邵洋决定尽快调整自己的研究方向,把所有的注意力集中到非晶态材料的研究上去。尽管晶态和非晶态材料在结构、性能等诸多方面存在不小的差异,但凭借坚实的材料学基础知识以及长期积累的研究经验,邵洋很快地度过了这段科研方向的调整换期,开始全身心地投入到非晶态材料的研究中。
随着对非晶合金的深入了解,邵洋意识到要想对非晶合金的塑性形变能力进行改进,就必须对其基本塑性形变载体进行充分的认识,也只有全面掌握了非晶合金塑性变形载体的运动行为后,才有可能从微观结构上对其宏观力学性能进行调控。再进一步,就需要对当前神秘的非晶合金结构进行有效的表征和建模。如果可以构建出非晶合金的基本结构,那么各种非晶合金的宏观性能就可以找到具体的微观结构起源,从而在非晶合金这一领域可以实现研究人员的梦想,即从微观结构角度来调控宏观性能。做科研就要顶天立地,邵洋不仅要啃非晶合金研究中的硬骨头,而且也要在非晶合金的工程应用上有所贡献。利用非晶合金特有的微观结构和力学性能,邵洋正在尝试其在极端环境条件下的应用,比如航天航空中的特殊零部件。此外,铁基非晶合金展现出优异的软磁性能,有望替代现有的电机用铁芯材料,从而提高实现电机的小型化。他又提到,当电机在高频工作时,传统电机的铁芯损耗过高,这会造成电机大量发热甚至造成损坏。若能利用铁基非晶合金来替代,有望大幅降低电机在高频工作下的能耗,提升电机的效率,为国家节省大量的能源。“这正是我们在努力去做的事。”邵洋表示。
▌潜心非晶态材料
看似“完美”的非晶态材料,其实也有“缺陷”。沉浸在非晶态材料世界里的邵洋,并没有被其优异的力学性能等特点所“迷惑”,反而专从其不足入手。他认为在更好地利用材料自身优势的同时也要尽力去克服其存在的不足。在研究非晶合金时,邵洋认识到非晶合金的玻璃形成能力制约着大尺寸非晶合金成分调节和制备手段的提升空间,而当前对非晶合金的微观结构的认识不足也制约着对非晶合金宏观性能的深入理解,这些都是非晶合金领域中最核心、最急需解决的问题。此外,非晶合金的塑性形变能力也令科研工作者头疼不已,普遍来说,非晶合金都拥有极好的弹性极限,可却几乎没有拉伸塑性,这就大大限制了其工程应用及材料加工过程中对安全性的要求,也影响了非晶合金在工程中的应用。
邵洋决心一步一步去啃这些非晶合金研究领域中的硬骨头。他首先从相对简单的非晶合金塑性变形行为入手,为此,他于2017年主持了国家自然科学基金项目“具有不同室温压缩塑性的非晶合金中剪切带微观结构和扩展规律的研究”,对非晶合金的塑性形变机制及其影响因素展开研究。
虽然项目还在进行阶段,但在前期研究工作的基础上,邵洋已经有了对非晶合金塑性形变机制研究的思路。他表示,要选择具有不同室温压缩塑性的Pd基、Zr基、Ti基、Fe基非晶合金及部分高熵非晶合金为研究对象,以影响非晶合金力学特性的剪切带运动行为为切入口,研究不同非晶合金系中单根剪切带的形核和扩展、多重剪切带扩展规律、主剪切带滑动过程中的动力学之间的异同,材料内部自由体积在剪切带稳态扩展和失稳扩展中的变化规律,以及不同组元及材料本征物理常数对这些剪切带扩展异同的影响规律等。
谈到具体的研究方法,邵洋表示既然想要找到改善材料宏观力学性能的方法,就要弄清楚影响非晶合金力学性能的基本塑性变形载体的形核和扩展规律,因此他决定采用实验分析、数值模拟与理论分析相结合的方法,三管齐下来揭示不同非晶合金系中力学性能遗传特性的物理起源。邵洋说道:“一旦弄清楚非晶合金塑性差的原因以及其断裂机制,会为接下来通过合金化方法调节非晶合金的力学性能供理论指导。”
项目中的每一个步骤,每一环研究,邵洋在实施前都会在心中做好科学的预算。他表示对材料微观结构与宏观性能的研究,需要涉及多方面的学科知识,也需要做好打长期攻坚战的十足准备,所以研究中的每一步都需要细致思考,反复实验,不能有一丝一毫的松懈。
除了科研方向上的转变,加入《工程材料》课程教学组后,邵洋还需要转变的就是身份。从讲台下的学生到讲台上的教师,邵洋难免有些不习惯。“感谢姚老师的帮助。”邵洋说。姚可夫教授是北京市教学名师,在“工程材料”课程教学过程中不仅会提醒邵洋哪些应是课堂讲授的重点,哪些是学生容易混淆的概念,还会在课后指导邵洋备课中存在的问题。有了姚可夫教授的点拨与提携,邵洋很快适应了教师的身份。不管是科研还是教学,邵洋都很明确自己的前进方向,也正在一步一步践行着。
专家简介:
邵洋,清华大学材料学院副教授。2002年本科毕业于清华大学材料科学与工程系,2004年获清华大学材料科学与工程系硕士学位,2009年获加拿大麦克马斯特大学材料科学与工程系博士学位。2009年—2010年在加拿大麦克马斯特大学及加拿大国家电子显微镜实验室从事博士后研究工作。2010年回国到清华大学任教。主要研究材料特别是非晶合金的微观结构和宏观性能之间的关系,承担并参与了多项国家自然科学基金项目以及国家重点研发计划等,2013年入选北京市“青年英才计划”,2017年获中国材料学会非晶与高熵分会优秀青年科学家奖,已发表学术论文70多篇。
本文封面图来源于图虫创意
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